导管架海洋平台结构静力弹塑性分析方法研究
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文章编号:1005-9865(2010)04-0111-06导管架海洋平台结构静力弹塑性分析方法研究金书成1,2,柳春光1(1.大连理工大学土木水利学院,辽宁大连 116024; 2.中交第二航务工程局有限公司技术中心,湖北武汉 430040)摘 要:以渤海一座导管架海洋平台为例,分别在两种不同的控制工况下采用静力弹塑性(Pushover)方法对其在地震作用中反应进行研究,采用能力谱法确定结构目标位移,同时进行结构在相同地震动下的弹塑性时程分析。
通过比较Rushover 分析方法及动力时程分析方法建立的结构能力曲线、节点位移、塑性铰分布等,证明了Pushover 方法在导管架海洋平台结构抗震性能评价工作中是可行的。
研究结果对实际工程中抗震性能决策有一定借鉴意义。
关键词:导管架海洋平台;Pushover 方法;能力谱法;弹塑性时程分析;抗震性能评价中图分类号:P751 文献标识码:AStudy on pushover analysis method for jacket platformsJIN Shu -cheng 1,2,LI U Chun -guang 1(1.Faculty of Infrastructure Engineering,Dalian Universi ty of Technology,Dalian 116024,China; 2.Technology Center,CCCC Second Harbour Engineering Company LTD,Wuhan 430040,China)Abstract:In this paper,a jacket platform of Bohai Sea was taken as a case study.Pushover analysis was adopted for the study of its seismic behavior under earthquake of the different working condi tions.Target displacement was determined with capacity spectru m method.Nonlinear time history analysis was conducted under the same earthquake.And it is also illustrated that pushover method can be employed to assess seis -mic vulnerability of jacket platforms by comparison of structural capacity spectra between dynamic time history analysi s method and push -over analysis method.All of the above will be useful for earthquake -resi stan t performance decision in practical jacket platform structure.Key words:jacket platforms;pushover method;capacity spectrum method;nonlinear time history analysis;seismic performance evaluation收稿日期:2009-09-10基金项目:国家自然科学基金资助项目(50878039);国家/十一五0科技支撑计划资助项目(2006BAJ06B07-04)作者简介:金书成(1983-),男,硕士,主要从事结构抗震研究。
E -mail:jsc -0518@ 20世纪80年代以来我国海洋石油探测和开发的发展速度加快,在渤海、黄海、东海和南海等海域业已建成200余座海上石油平台,这些海洋石油工程均属于可能产生严重次生灾害的工程,同时我国近海海域的地震活动性较高,因此,海洋工程的抗震问题受到广泛关注[1]。
然而我国至今仍没有专业的海洋平台抗震技术标准,推倒分析成为海洋平台结构抗震性能评价的有力工具。
Pushover 分析方法本质上是一种与反应谱相结合的静力弹塑性分析方法,它的基本思路是将地震荷载等效成侧向荷载,采用对结构施加呈一定分布的单调递增的水平力的方式,用二维或三维的力学模型代替原结构,按预先确定的水平荷载加载方式对结构进行推覆分析,逐步将结构推至一个给定的目标位移来研究分析结构的非线性性能,从而判断结构及构件的变形受力是否满足设计要求。
Pushover 方法一般基于以下两个基本假定[2]:1)结构(实际工程中一般为多自由度体系)的响应与该结构的等效单自由度体系相关,这表明结构的响应基本上由结构的第一振型控制;2)结构沿高度的变形由形状第28卷第4期2010年11月海洋工程THE OCE AN ENGINEERING Vol.28No.4Nov.2010向量{5}表示,在整个地震反应过程中,不管结构变形大小,形状向量{5}保持不变。
严格来讲,这两个假定是不完全准确的,但是海洋平台具有头重脚轻的特点,上部结构质量集中,是以第一阶振型为主的结构,Pushover方法可以得到其较合理的最大地震反应估计。
许多国家或组织已将推倒分析列入抗震规范体系,如美国的ATC40和FE MA273等,我国5建筑抗震设计规范6[3]中称该方法为静力弹塑性分析。
1目标位移的确定及侧向力分布模式目标位移是指在给定地震作用下结构可能产生的最大位移。
通过推倒分析得到结构基底剪力和控制点位移关系(推倒曲线)后,此处采用能力谱法确定结构目标位移。
ATC40推荐的能力谱法的基本思想是建立两条相同基准的谱线,一条是由推倒曲线转化的能力谱线;另一条是由加速度反应谱转化的需求谱线,把两条谱线画在同一坐标系中,两条谱线的交点即为/性能点0或/目标位移点0[4]。
侧向荷载分布模式即指侧向力沿结构高度的分布,侧向荷载分布模式的选择,将直接影响到静力弹塑性分析方法对结构抗震性能的评估结果。
从理论上讲,所选择的侧向荷载分布模式应能近似地反映结构在设计地震作用下惯性力的分布情况。
如FE MA273给出的倒三角分布和均匀分布。
在高阶振型影响比较大以及结构层间剪力与层间变形的关系对所加荷载模式特别敏感时其分析结果有时可能会与实际的非线性动力反应有较大的差别,但对于高阶振型影响较小的结构是可以得到满足精度要求的结果[5]。
2算例分析取一座四桩腿导管架海洋平台为例,利用结构设计软件SAP2000进行建模及分析。
平台由上部甲板模块、导管架和桩基三部分组成。
导管架高35.45m,四根导管,导管腿直径<1537@44.45mm,方向斜度均取为1B10,导管架上部尺寸13m@13m,甲板到泥面的距离为25.5mm,参考DNV(1987)报告取海底土层以下6.4倍桩径处为固结(见表1)。
上部重量1700t,甲板及生活模块的设备及其他附重以结点集中质量考虑,附连水质量、管中水质量及附加土质量均等效为材料密度。
整个模型采用统一钢材,弹性模量为E X=2.0@ 1011Pa,泊松比0.3,密度7800kg/m3。
结构抗震设防烈度为8度,场地类别为III类,设计地震分组为第二组,特征周期值取为0.55s。
水平地震影响系数最大值A max为0.9。
将UB C规范反应谱转换为中国规范反应谱,计算得C A=0.469,C V=0.586。
计算工况分别为阻塞冰荷载工况和风浪独立工况,环境荷载参考渤海JZ20-2MUQ平台数据资料选取,方向均取为X正向。
阻塞冰力由下式计算:F m=0.4Wh R c,其中,W为冰阻塞宽度,为两桩腿垂直于冰作用方向的距离;R c为阻塞冰挤压强度,R c=1.9MPa。
冰阻塞时单桩腿冰力按两腿桩之大小分配冰力,冰力遮蔽系数取为0.1,并考虑泵护管所受冰力。
本例中取渤海海域海冰分区二区重现期为1年的冰厚:即17.6c m,计算得总冰力为1348.82kN,按结点力添加。
表1主要杆件截面形式与规格Tab.1Member cross sections of the jacket platform structure 构件截面尺寸/mm主导管<1537@44.45横撑<711@25.4斜撑<762@25.4海浪的控制要素为最大可能波高及相应的波周期,分别取为重现期为10年的7.33m、8.21s。
采用Morison方程结合波浪运动理论来计算。
风荷载采用APIRP2A中的风力计算公式:F=0.473 V2C S A,式中:F为风力,N;V为风速,km/h;C S为形状系数;A为建筑物迎风面积,m2;海洋平台结构C S取为1。
本例中取V=22.5m/s,A为169m2。
时程分析时采用elcentro波(1940,N-S,最大加速度a max=341cm/s2).由文献[13]取海洋平台阻尼比为0.02。
112海洋工程第28卷采用SAP2000建模,计算简图如图1。
2.1 非线性动力时程分析选用elcentro 波为地震输入,波长20s,时间间隔为0.02s,根据5建筑抗震设计规范6,将加速度时程曲线最大值调幅为8度罕遇地震的400cm/s 2。
利用SAP2000进行结构的时程分析,采用直接积分法中的HHT 法计算,Alpha 取为0。
采用Rayleigh 阻尼,即假设阻尼矩阵与质量矩阵、刚度矩阵成正比。
考虑P -$效应。
e-l centro 波对应的不同阻尼比下的反应谱如图2所示,由上到下阻尼比依次为2%、10%、20%和30%。
图1 计算简图Fig.1 Calculating diagram图2 不同阻尼比下elcentro 波的反应谱曲线Fig.2 Response spectru m of elcentro earthquake record with different damping ratios分别得到阻塞冰工况和风浪独立工况下的结构基底剪力-顶点位移曲线(见图3,4)。
图3 阻塞冰工况下的结构基底剪力-顶点位移曲线Fig.3 The base shear -top displacement curve in blockingice workingcondition 图4 风浪独立工况下的结构基底剪力-顶点位移曲线Fig.4 The base shear -top displacement curve in wind wave working condition阻塞冰工况时得到时程分析的最大顶点位移为102.3mm,最大基底剪力为15700kN;风浪独立工况时的最大顶点位移为97.3mm,最大基底剪力为15100kN 。
